攤鋪機(jī)熨平板振幅橫向均勻性分析與優(yōu)化

趙金鵬，周龍剛，劉東明，薛少青，孫 琪

(長安大學(xué) 道路施工技術(shù)與裝備教育部重點實驗室，陜西 西安 710064)

攤鋪機(jī)熨平板是對瀝青混合料進(jìn)行預(yù)壓實和整平，使攤鋪路面達(dá)到一定的平整度和壓實度的結(jié)構(gòu)，主要包括振搗器、振動器、熨平板箱體、厚度調(diào)節(jié)裝置、拱度調(diào)節(jié)裝置以及加熱系統(tǒng)等。熨平板工作性能的好壞直接影響到路面的攤鋪質(zhì)量。

振動器是影響攤鋪機(jī)熨平板工作性能的重要結(jié)構(gòu)，工作時振動器以壓力沖程的形式將振動力傳遞給攤鋪混合料，使攤鋪層達(dá)到較理想的壓實度和平整度要求。

1 攤鋪機(jī)熨平板振動器結(jié)構(gòu)

攤鋪機(jī)振動器的振動軸基本采用振動軸加偏心塊或偏心軸的結(jié)構(gòu)形式。由于偏心塊式振動軸受結(jié)構(gòu)限制，隨著振動軸加工工藝的不斷改進(jìn)，近年來偏心軸式振動軸越來越常見，如圖1所示。偏心軸是由多段圓柱體布置在2根偏心軸線上的軸類零件，它將旋轉(zhuǎn)運動變?yōu)橹本€往復(fù)運動或?qū)⑴ぞ刈優(yōu)閴毫Γ?－2]，設(shè)計時，可通過改變振動軸的結(jié)構(gòu)尺寸來改善熨平板的攤鋪質(zhì)量。

圖1 偏心軸式振動器結(jié)構(gòu)圖

2 熨平板的動力學(xué)模型分析

在振動過程中，沿橫向熨平板各組成段的振幅應(yīng)該保持一致，即熨平板振幅要沿橫向均勻分布，這樣才能保證攤鋪層密實度的均勻性［3]。對于機(jī)械加寬式熨平板，雖然各段之間通過螺栓剛性聯(lián)結(jié)形成整體，并且集中驅(qū)動振動器，但如果熨平板各組成段設(shè)計振幅不一致，拼裝起來的熨平板在穩(wěn)態(tài)振動時各段處的振幅難以相同，將造成攤鋪層橫向受力的不均勻和攤鋪路面密實度的差異。所以，熨平板振幅沿橫向振動的均勻性非常重要。

攤鋪機(jī)熨平板在振動、壓實、整平攤鋪層的過程中，攤鋪層介質(zhì)的剛度、阻尼和隨振質(zhì)量都隨介質(zhì)密實度的變化而變化，因此熨平板工作時振幅不斷變化。將攤鋪機(jī)熨平板各段通過減振塊固定在地面上，建立各段熨平板振動時的動力學(xué)模型如圖2所示。圖2中M為熨平板總質(zhì)量，c為減振塊阻尼，k為減振塊剛度，x為熨平板豎向位移，F(xiàn)0為系統(tǒng)激振力，G為熨平板的重力。

當(dāng)系統(tǒng)為單頻激振時，動力學(xué)方程為［4]

式中m為激振軸的偏心質(zhì)量;e為激振軸的偏心距;ω為激振圓頻率，ω=2πf，其中f為振動頻率。

由式(1)得到熨平板的豎直方向位移為

式中 φ為熨平板的振動相位角;A為熨平板的振幅，A的計算式為

式中 ζ為阻尼比，ζ=c/(2ωnM)，其中 ωn為系統(tǒng)因有頻率為激振圓頻率和固有頻率之比，η =ω/ωn。

引入影響因子g，令，得

由式(2)可知，熨平板振幅與振動器偏心質(zhì)量和偏心距成正比，與熨平板質(zhì)量成反比，與g成正比。

圖2 攤鋪機(jī)熨平板振動力學(xué)模型

3 振動器結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計優(yōu)化

為了便于設(shè)計和比較各段熨平板的振幅，借鑒壓路機(jī)名義振幅設(shè)計的方法，比較各段熨平板獨立振動時振幅的大小，對各段攤鋪機(jī)熨平板進(jìn)行等振幅設(shè)計［5]。

熨平板振動器偏心軸的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 偏心軸結(jié)構(gòu)及其截面形狀

各段名義振幅為

由于各段熨平板的Mi和gi都不同，且不宜改變，因此只能通過設(shè)計各段的miei來保證每段熨平板振幅一致。

mi和ei的計算式為

式中Fi為軸上偏心部分的截面面積為軸上偏心部分的長度，mm;ρ為偏心軸材料的密度，kg/mm3;Ri為軸上偏心段的圓柱半徑，mm;ri為軸上與偏心段相接圓柱半徑，mm;ai為偏心段軸線與旋轉(zhuǎn)軸線的間距，mm。

將式(3)、(4)帶入式(2)得到

由式(3)、(4)可以看出，mi和ei主要由Li、Ri和ai決定，可以通過合理選擇這3個參數(shù)使各段熨平板的名義振幅均勻。

由式(5)可得到Li、Ri和ai的設(shè)計公式為

參考國內(nèi)外攤鋪機(jī)的名義振幅，按名義振幅為0.08 mm對振動器結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計:1)保持各段熨平板振動器的Ri和ai不變，通過式(6)計算Li;2)調(diào)整Li，同時考慮振動器的安裝空間及易于加工，調(diào)整ai，通過式(7)計算各段熨平板振動器的Ri;3)對Ri進(jìn)行圓整，通過式(6)重新計算Li。

表1為各段偏心軸改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)，表2為各段偏心軸改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)參數(shù)。機(jī)械加寬式熨平板由基本段和加長段組成，表1、2中，用1500段、1000段、500段、250段分別表示熨平板加長段的長度為1 500，1 000，500，250 mm。由于改進(jìn)設(shè)計是基于國內(nèi)某廠家最大攤鋪寬度為9 m的攤鋪機(jī)熨平板建立的，熨平板加長段中250段自身沒有振動器，是直接固結(jié)于1000段上的，各結(jié)構(gòu)參數(shù)與1000段相同，故表1中各段偏心軸改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)中沒有250段，而改進(jìn)后的250加長段振動結(jié)構(gòu)參數(shù)在表2中用1000+250段表示。

表1 各段偏心軸改進(jìn)前的結(jié)構(gòu)參數(shù)mm

表2 各段偏心軸改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)參數(shù)mm

4 改進(jìn)前、后熨平板振幅橫向均勻性試驗

分別對改進(jìn)前和改進(jìn)后的熨平板作對比試驗，熨平板箱體支撐在橡膠輪胎上，振動器安裝在振動軸中心距離箱體后板235 mm處［7－8]。測試振動器獨立振動時熨平板的振動加速度、振動頻率、振幅及振動波形。讀取各段熨平板振動加速度曲線振幅的最大值，并作對比折線圖如圖4所示。

由圖4可知，改進(jìn)振動器結(jié)構(gòu)的參數(shù)后，振幅的橫向不均勻性明顯減小，改進(jìn)前各段熨平板的振幅標(biāo)準(zhǔn)差為0.016 mm，改進(jìn)后各段熨平板振幅標(biāo)準(zhǔn)差為0.009 mm，標(biāo)準(zhǔn)差降低了約42%，優(yōu)化效果較為顯著。

同時也發(fā)現(xiàn)，對于攤鋪寬度較大機(jī)械的加寬式熨平板，由于整體剛度的下降及地面剛度和阻尼的變化，要使熨平板橫向振幅絕對均勻，幾乎是不可能的，只能通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)參數(shù)的方式使振動器振幅趨于平穩(wěn)。

5 結(jié)語

振動器的工作參數(shù)直接影響熨平板的攤鋪質(zhì)量，建議振動器工作時的名義振幅為0.08 mm。通過改變振動器偏心部分的長度來改善熨平板振幅的橫向均勻性的方法效果很明顯，調(diào)節(jié)熨平板振動器的橫向均勻性主要有以下3種方式:1)保持各段熨平板振動器軸上偏心段的圓柱半徑和偏心段軸線與旋轉(zhuǎn)軸線間距不變，通過改變軸上偏心部分的長度進(jìn)行振動器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化;2)保持各段熨平板振動器軸上偏心段的圓柱半徑和軸上偏心部分的長度不變，通過改變偏心段軸線與旋轉(zhuǎn)軸線間距進(jìn)行振動器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化;3)保持各段熨平板振動器的軸上偏心部分的長度和偏心段軸線與旋轉(zhuǎn)軸線間距不變，通過改變軸上偏心段的圓柱半徑進(jìn)行振動器結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化。

圖4 改進(jìn)前后各段熨平板振幅最大值對比

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